用冰取火教学课件

用冰取火热量传递与热能应用第一章热与冷的本质热与冷是我们日常生活中最常见的物理现象，但它们的本质是什么？本章将从分子运动的角度解释热量与温度的基本概念，帮助学生建立科学的热量观念1基础概念了解热与冷的本质，掌握温度和热量的区别2传热方式学习热传导、对流和辐射的原理与应用3热平衡什么是冷？在科学上，冷并不是一种独立存在的物质或能量形式，而是热量的缺失或相对较低的热液氮（-196℃）量状态当我们感觉到冷时，实际上是因为环境或物体的温度低于我们皮肤的感受温度，导致热量从我们的身体流向外界超低温液体，能瞬间冻结生物组织人体对冷的感知是相对的，取决于皮肤的温度感受器当皮肤表面温度低于约33℃时，我们会感到冷而不同的冷却速度也会影响我们的冷感——快速失去热量会让我们感觉月球表面阴影（-153℃）更冷无大气层保护，温度极端家用冰箱（-18℃）食物长期保存的理想温度北极白天（0℃）冰点温度，水开始结冰海底（3℃）深海恒定低温环境撒哈拉夜晚（15℃）沙漠昼夜温差大热量与温度的区别温度温度是物体分子平均动能的度量，反映分子运动的剧烈程度温度越高，分子运动越剧烈温度是物体的状态量，与物体的质量无关单位摄氏度（℃）、华氏度（℉）、开尔文（K）热量热量是能量的一种形式，表示在热传递过程中转移的能量总量热量与物体的质量、比热容和温度变化有关热量总是从高温物体流向低温物体单位焦耳（J）、卡路里（cal）热传导通过物质内部分子的相互碰撞，热能从物体的高温区域传递到低温区域，无宏观物质移动金属导热性好，木材、塑料等导热性差热对流流体（液体或气体）因温度差异产生密度差，引起流体宏观流动，携带热量移动如空气暖气流上升，冷气流下降热辐射物体以电磁波形式向外传递热能，无需介质太阳热量通过辐射方式传递到地球热传导的基本定律傅立叶定律——傅立叶热传导定律是描述热传导过程的基本物理定律，由法国数学家傅立叶（Jean-Baptiste JosephFourier）提出该定律指出通过单位面积的热流量与温度梯度成正比，方向与温度梯度方向相反即热量总是从高温区域流向低温区域数学表达式q=-λ·dT/dx其中，q为热流密度，λ为导热系数，dT/dx为温度梯度导热系数λ值反映了材料的导热能力•金属材料导热系数远大于非金属材料•银（429W/m·K）铜（401W/m·K）铝（237W/m·K）•水（

0.6W/m·K）冰（

2.2W/m·K）空气（

0.026W/m·K）多层材料的热传导可视为热阻串联过程，总热阻等于各层热阻之和这一原理被广泛应用于建筑保温、冰箱绝热层、保温杯等设计中热平衡与热传递方向高温物体热量传递分子动能高，振动剧烈单向流动高温→低温热量输出，温度降低传递速率与温差成正比热平衡状态低温物体温度相等分子动能低，振动缓慢热流净值为零热量输入，温度升高分子平均动能相等热平衡定律（热力学第零定律）如果两个物体分别与第三个物体达到热平衡，则这两个物体之间也处于热平衡状态这一定律为温度概念提供了基础，是温度计原理的理论依据热与冷的能量之战冰与火看似对立，却遵循着相同的物理规律热量的传递永远从高温流向低温，直到达成平衡这是宇宙间最基本也最美丽的秩序之一第二章冰与火的物理化学反应实验在本章中，我们将通过一系列有趣的实验，探索冰与热量之间的相互作用，以及如何利用化学反应产生冷热效应这些实验不仅帮助我们理解热量传递的原理，还展示了物理化学反应在日常生活中的应用冷敷原理气体反应了解吸热反应的应用研究气体产生对温度的影响1234盐类实验冰淇淋制作观察不同盐类对水温的影响应用冰盐混合物降温原理冰包冷敷的科学原理冷敷包是急救和运动医学中常用的物品，其工作原理基于特定化学物质常用冷敷化合物比较在水中溶解时发生的吸热反应这些反应需要从周围环境吸收热量才能进行，因此会使周围温度降低化合物温度变化安全性化学冰袋的主要成分是水和硝酸铵（NH₄NO₃）等化合物，它们被分隔在不同的隔室中当我们挤压冰袋时，隔膜破裂，化合物与水接触，硝酸铵-25℃中等发生强烈的吸热反应尿素-15℃高NH₄NO₃+H₂O+热量→NH₄⁺+NO₃⁻水溶液氯化铵-10℃高这一反应可以使温度从室温迅速降至0℃左右，持续降温效果可达30分钟以上，非常适合运动伤害的紧急处理注意石膏（硫酸钙，CaSO₄）溶解时为放热反应，不适合用于制作冷敷包错误使用可能导致灼伤！现代医学研究表明，冷敷可以减轻疼痛、减少组织肿胀和控制炎症反应，这是由于低温使血管收缩，减少血流和炎症介质的释放，同时降低组织代谢率和神经传导速度实验不同盐类对水温的影响1实验材料•50ml量杯3个•温度计3个•氯化钠（NaCl）10g•硝酸铵（NH₄NO₃）10g•硫酸铜（CuSO₄）10g•蒸馏水150ml时间（分钟）氯化钠溶液硝酸铵溶液硫酸铜溶液•秒表温度（℃）温度（℃）温度（℃）实验步骤结果分析氯化钠溶解过程温度变化不明显；硝酸铵溶解过程显著吸

1.在三个量杯中各加入50ml蒸馏水热，温度下降16℃；硫酸铜溶解过程放热，温度上升6℃这表明不同

2.记录初始水温T₀盐类溶解过程中的热效应各不相同

3.分别向三个量杯中加入等量的氯化钠、硝酸铵和硫酸铜

4.搅拌均匀，每30秒记录一次温度，持续5分钟

5.绘制温度-时间曲线图实验柠檬酸与碳酸氢钠反应2实验材料•柠檬酸（C₆H₈O₇）10g•碳酸氢钠（NaHCO₃）15g•250ml烧杯•温度计•蒸馏水100ml•秒表实验步骤

1.在烧杯中加入100ml蒸馏水

2.加入柠檬酸，搅拌溶解

3.记录初始温度T₁

4.缓慢加入碳酸氢钠，观察反应现象

5.记录反应过程中的温度变化T₂反应方程式3NaHCO₃+C₆H₈O₇→Na₃C₆H₅O₇+3H₂O+3CO₂↑实验现象结论分析应用局限性实验3用冰盐混合物制作冰淇淋冰盐混合物是一种经典的制冷方法，原理是盐能降低冰的熔点，使冰吸收更多热量融化，从而降低周围温度这种方法在现代冰淇淋制作前就被广泛使用盐降低冰点原理当盐（氯化钠）溶解在水中时，会分解为钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）这些离子会干扰水分子之间的氢键形成，使得水分子排列成冰晶格所需的能量增加，从而降低水的冰点根据冰点下降定律，水的冰点下降值与溶质的摩尔浓度成正比ΔT=K_f×m其中，ΔT为冰点下降值，K_f为水的冰点下降常数（

1.86℃·kg/mol），m为溶质的摩尔浓度冰与盐的魔法冰盐混合物是一个完美的热能转移系统盐降低了冰的熔点，使冰在低于0℃的温度下开始融化融化过程需要吸收大量热量，这些热量部分来自周围环境，部分来自乳制品混合物乳制品失去热量后温度降低，最终凝固成冰淇淋热容量与比热容基础热容量是物体温度升高1℃所需的热量，单位为J/℃或J/K它与物体的质

4.

20.9量和材料有关比热容则是单位质量物质温度升高1℃所需的热量，单位为J/kg·℃或J/kg·K水（kJ/kg·℃）冰（kJ/kg·℃）物体吸收的热量Q与质量m、比热容c和温度变化ΔT的关系地球上最高的比热容之一低于液态水水的比热容特别高（

4.2kJ/kg·℃），这意味着水能储存大量热能而温度

0.

450.13变化不大这就是为什么海洋能调节地球气候，为什么热水袋保温效果好铁（kJ/kg·℃）铅（kJ/kg·℃）金属比热容较低密度大，比热容小计算示例将500g水从20℃加热到100℃需要多少热量？Q=

0.5kg×

4.2kJ/kg·℃×80℃=168kJ理解比热容对实验设计至关重要例如，在选择反应容器时，玻璃（

0.84kJ/kg·℃）比铜（

0.39kJ/kg·℃）有更高的比热容，意味着同等质量下玻璃容器会从反应中吸收更多热量，可能影响实验结果的准确性热量守恒定律在实验中的应用热力学第一定律告诉我们能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式这一原理在我们的热学实验中体现为热量守恒在一个封闭系统中，如果没有外部热量输入或输出，那么热量损失总和等于热量吸收总和热平衡温度计算当两个不同温度的物体接触时，最终达到的平衡温度T可以通过以下公式计算m₁·c₁·T-T₁+m₂·c₂·T-T₂=0其中，m₁、c₁、T₁是物体1的质量、比热容和初始温度；m₂、c₂、T₂是物体2的质量、比热容和初始温度实验应用示例例如，我们将50g，80℃的热水倒入含有150g，20℃冷水的杯中，忽略杯子吸收的热量，最终混合水的温度应为50g×

4.2J/g·℃×T-80℃+150g×

4.2J/g·℃×T-20℃=0解得T=35℃在实际实验中，由于容器吸热、环境散热等因素，测量值可能与理论计算值有偏差这种偏差可以帮助我们分析实验中的热量损失，提高实验设计的准确性热量的守恒与转移在宇宙中，能量永远守恒，只是不断地从一种形式转变为另一种形式，从一个系统转移到另一个系统当冰融化时，它吸收热量；当水凝固时，它释放热量这种能量的流动和转换构成了自然界中最基本的规律之一第三章冰取火的工程应用与设计思考在前两章中，我们学习了热量传递的基本原理和相关实验本章将带领学生将这些知识应用到实际工程设计中，培养设计思维和环保意识通过动手实践，我们将理解热量管理在现代工程和日常生活中的重要性1保温原理设计高效保温容器2防融化设计企鹅之家挑战活动3环保意识气候变化与冰川保护4生活应用热能在生活中的应用设计保温容器的科学原理保温容器的设计核心是减少热传递的三种方式传导、对流和辐射通过对材料和结构的精心选择，我们可以最大限度地减少热量损失或获取

0.

0260.033空气（W/m·K）聚苯乙烯（W/m·K）极佳的绝热材料，但需控制对流泡沫塑料，常用于保温杯

0.04401羊毛（W/m·K）铜（W/m·K）天然保温材料导热性能优异，不适合保温有效保温设计策略•多层隔热创造多个空气层，减少热传导•真空层抽真空几乎完全消除传导和对流•反射层使用铝箔等材料反射热辐射设计挑战为冰块设计防融化的企鹅之家在这个设计挑战中，学生们将应用热传递知识，为冰块设计一个能延长其融化时间的企鹅之家这个项目不仅锻炼工程设计能力，还通过企鹅这一主题，引发对气候变化和环境保护的思考团队组建（4-5人/组）设计阶段（30分钟）每个小组确定队名、分工和初步设计理念绘制设计草图，列出所需材料，阐述设计原理制作阶段（45分钟）测试阶段（60分钟）使用提供的材料制作企鹅之家原型放入相同大小的冰块，记录融化时间，比较各组结果设计思路指导评分标准•隔热层使用导热系数低的材料，如泡沫、棉花•有效性（40%）冰块融化时间•反射层使用铝箔反射热辐射•创新性（20%）设计创意和独特解决方案•减少对流密封设计，减少空气流动•材料利用（15%）材料使用的合理性和效率•底部隔离减少与地面的热传导•团队协作（15%）分工合作和沟通效果•形状考量减少表面积与体积比•演示说明（10%）设计理念阐述清晰度全球气候变暖与冰川融化我们的企鹅之家设计挑战不仅是一个有趣的工程项目，更是对当今全球气候变化问题的一次思考南极和北极的冰川正在以惊人的速度融化，这不仅威胁着企鹅等极地生物的生存，也对全球气候系统产生深远影响

1.

53.7全球升温（℃）海平面升高（mm/年）自工业革命以来的平均温升冰川融化导致的年均海平面上升40%帝企鹅减少预计到2100年的种群减少比例科学与保温设计的社会意义个人行动与全球影响思考与讨论我们在课堂上设计的保温容器原理，正是现代建筑节每个人的小行动累积起来可以产生巨大影响从使用你能想到哪些方法将我们学到的热量管理知识应用到能技术的基础通过改善建筑保温性能，我们可以大节能电器、减少一次性塑料使用，到支持可再生能源日常生活中，帮助减少能源浪费？你愿意采取什么行幅减少能源消耗，降低碳排放发展，我们都能为保护地球出一份力动来保护企鹅和它们的家园？科学与环保的使命科学不仅仅是知识和理论，更是解决实际问题的工具当我们深入理解热量传递的原理，我们就能设计更好的保温技术，减少能源浪费，应对气候变化企鹅的命运与我们的选择紧密相连，保护它们的家园，就是保护我们共同的地球冰取火的生活实例冰袋冷敷运动损伤后立即使用冰袋可以减轻疼痛冰与盐的除冰和肿胀冰袋的工作原理是通过吸收患处的热量，使局部血管收缩，减少炎症冬季道路撒盐除冰利用了盐降低水冰点的原理物质的释放临床建议每次冷敷15-盐分解为离子后干扰冰晶结构形成，使冰在低于20分钟，间隔1-2小时0℃的温度下融化但过量使用会造成环境污染，现代除冰技术正寻求更环保的替代品冰箱制冷冰箱利用压缩-膨胀循环来移除内部热量制冷剂在蒸发器中蒸发吸热，在冷凝器中冷凝放热这一过程遵循热力学热水袋与冰袋第二定律热量自发地从高温物体传递到低温物体热水袋利用水的高比热容储存大量热能，缓慢释放以提供持久温暖而冰袋则是吸收热量以提供冷却效果两者在不同情况下使用热敷促进血液循环，冷敷减轻炎症通过观察这些日常生活中的应用，我们可以看到热量传递原理如何被巧妙地运用于解决实际问题理解这些原理不仅能帮助我们更好地使用这些工具，还能启发我们设计出更高效、更环保的解决方案热能转换与能量效率能量可以从一种形式转换为另一种形式，但在转换过程中，总有一部分能量会以热的形式散失理解热能转换和能量效率对于设计节能系统至关重要35%20%火力发电效率太阳能电池效率传统燃煤电厂的平均能量转换效率商用光伏板的典型转换效率90%80%电动机效率热泵制热效率现代高效电动机的能量转换效率相比传统电加热的能效比能量转换的损失提高能效的技术绿色能源发展在任何能量转换过程中，部分能量会因摩擦、现代工程通过多种方式提高能效改进材料、太阳能、风能等可再生能源技术正快速发展，电阻等原因转化为热能散失根据热力学第二优化结构设计、热能回收再利用等例如，冰虽然当前转换效率不如传统能源，但环境成本定律，这种损失是不可避免的，但可以通过优箱排出的热量可以被收集用于加热水，提高整大幅降低未来技术突破将进一步提高可再生化设计来减少体系统效率能源的经济可行性课堂互动冰火实验演示演示步骤

1.准备两个透明玻璃杯，分别标记为A和B

2.在A杯中放入冰块，在B杯中放入冰块和盐

3.在两个杯中各插入一根温度计

4.邀请学生记录两杯中的初始温度

5.每分钟记录一次温度变化，持续10分钟

6.请学生观察两杯中冰块融化速度的差异学生活动•分组讨论观察到的现象•尝试用热量传递原理解释温度变化•思考如何改进实验设计以获得更明显的效果•提出日常生活中应用类似原理的例子实验目标通过现场演示冰盐混合降温实验，让学生直观感受热量传递过程，加深对热量守恒和相变概念的理解扩展挑战设计实验方案请学生小组设计一个实验，证明热量从高温物体传向低温物体要求

1.列出所需材料和步骤

2.说明如何测量和记录数据

3.解释如何从数据中得出结论

4.讨论可能的误差来源及改进方法关键科学概念回顾热量温度能量的一种形式，在物体间传递热量流动方物体分子平均动能的度量，反映分子运动剧烈向始终从高温物体到低温物体，直到达到热平程度温度相等是热平衡的标志衡热容量与比热容热传导物体升高单位温度所需热量水的比热容通过物质内部分子间的相互作用传递热特别高，这就是为什么海洋能调节气候，量，无宏观物质移动不同材料导热性能热水袋保温效果好差异大吸热与放热反应热平衡吸热反应需要从环境吸收热量才能进行，导致两个物体温度相等，不再有净热量传递的状环境温度下降；放热反应向环境释放热量，使态是热力学第零定律的核心内容环境温度升高这些概念相互关联，构成了热学的基础框架理解这些概念不仅帮助我们解释自然现象，还使我们能够设计和改进日常生活中的各种设备和系统在接下来的学习和实践中，我们将进一步探索这些原理的应用学习成果展示学生设计的保温容器模型实验数据汇报与分析时间（分钟）常规容器（℃）设计A（℃）设计B（℃）数据显示，学生设计的保温容器明显优于常规容器设计B在60分钟后仍保持56℃的温度，比常规容器高26℃，证明了多层隔热和反射层设计的有效性学生们运用热传导原理，设计了多种创新保温容器左侧模型使用多层气泡膜和铝箔创造了有效的隔热层；中间模型采用了蜂窝结构减少热传导；右侧模型结合了真空原理和反射材料，展现了深入的热学理解未来探索方向纳米材料革命纳米级气凝胶可在极薄层中提供卓越隔热性能，导热系数低至

0.013W/m·K，远低于传统材料这些超轻材料（密度仅为空气的3倍）正应用于航天器和高端建筑保温相变材料应用相变材料PCM能在特定温度下吸收或释放大量潜热，用于温度调节和能量存储新型PCM微胶囊已应用于建筑材料和纺织品，可主动调节环境温度可持续冷敷技术环保型冷敷材料研发正在进行，寻找替代传统化学物质的天然成分生物基水凝胶已显示出良好的热调节特性，未来有望替代石油基产品热能管理与可持续发展科学点亮未来从最初对火的驾驭到现代热力学的精确控制，人类对热能的理解和应用已经走过漫长的道路今天，我们站在科技创新的前沿，热能科学正帮助我们应对能源短缺和气候变化等全球挑战通过冰与火的相互作用，我们看到了自然的奥秘，也看到了科学探索的无限可能课程总结基础理论掌握实验技能培养工程设计能力通过学习热与冷的本质、热量传递机制和热平衡定律，通过冰盐混合物、化学冷敷包等多个实验，练习了科学完成保温容器设计和企鹅之家挑战，锻炼了问题分建立了坚实的热学理论基础理解温度与热量的区别，实验设计、数据收集和分析能力学会运用热量守恒定析、方案设计和实践创新能力学习将理论知识应用于掌握热传导、对流和辐射的特点及应用条件律解释实验现象，培养科学思维方法解决实际问题，体验工程设计的全过程知识获取能力培养掌握热学基础概念和原理发展实验、分析和设计技能思维拓展价值引导培养科学思维和创新意识树立环保理念和社会责任感通过本课程的学习，希望同学们不仅掌握了热学的基本原理，还培养了科学探究精神和解决实际问题的能力科学教育的目标不仅是传授知识，更是培养创新思维和责任意识，为未来的科技发展和环境保护做出贡献谢谢聆听！欢迎提问与讨论进一步学习资源•《趣味物理学》（普列沃特·库兰特）•《热力学与统计物理学》（费曼物理学讲义第一卷）•国家自然科学博物馆热能展区•科普视频《日常生活中的热力学》系列思考问题后续课程预告

1.如果你要设计一个既能保温又能保冷•《物质的状态变化与相变》的容器，会采用什么原理和材料？•《能量转换与可再生能源》

2.人体如何通过出汗来调节体温？这与•《生物体的温度调节机制》我们学过的哪些热学原理有关？•《气候系统与全球变暖》

3.冬天为什么金属物体摸起来比木质物体更冷？实际温度是否不同？感谢所有同学的积极参与！期待在科学探索的道路上与大家继续同行。